Giáo trình Biến đổi năng lượng điện cơ - Chương 4: Giải tích hệ thống điện cơ dùng các phương pháp năng lượng - Nguyễn Quang Nam

Biểu diễn hình học của năng lượng và đồng năng lượng

 ,  Vùng A

0

Wm   i  x d  Wm'  0i i, xdi  Vùng B

 Nếu (i, x) là một hàm phi tuyến như minh họa trên hình

4.25, khi đó hai diện tích sẽ không có trị số bằng nhau. Tuy

nhiên, fe rút ra bằng năng lượng hay đồng năng lượng sẽ

như nhau.Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013

Biểu diễn hình học của năng lượng và đồng năng lượng

 Có thể chứng minh như sau.

 Trước tiên, giữ  cố định, năng lượng Wm được giảm một

lượng –DWm như trên hình 4.26(a) đối với việc tăng một

lượng Dx. Tiếp đó, giữ i không đổi, đồng năng lượng tăng

một lượng DW’m khi x thay đổi 1 lượng Dx. Lực điện từ (do

điện năng sinh ra) trong cả hai trường hợp

W x

f m

x

e

D

D

 

D 0

lim

W x

f m

x

e

D

D

D 

'

0

lim

Bài giảng 3 26

 Xét một hệ có 2 cửa điện và 1 cửa cơ, với 1 = 1(i1, i2, x)

và 2 = 2(i1, i2, x). Tốc độ thay đổi năng lượng lưu trữ

Lực trong hệ 2 cửa điện – 1 cửa cơ

dt

dx

f

dt

d

i

dt

d

i

dt

dx

v i v i f

dt

dW

m e e

     2 

2

1

1 1 2 2 1

 

dWm  i1d1  i2d2  f edx

hay

i1d1  i2d2  d1i1  2i2  1di1  2di2

XétBiến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013

14

Bài giảng 3 27

Lực trong hệ 2 cửa điện – 1 cửa cơ (tt)

d1i1  2i2 Wm  1di1  2di2  f edx

dWm'  1di1  2di2  f edx

Như vậy,

' m

W

Wm' i1,i2 , x  0i1 1i1' ,0, xdi1'  0i2 2i1,i2' , xdi2'

Sau cùng,

Bài giảng 3 28

 Xét một hệ có N cửa điện và M cửa cơ, các từ thông móc

vòng là 1(i1, ., iN, x1, ., xM), ., N(i1, ., iN, x1, ., xM).

Lực trong hệ nhiều cửa tổng quát

M

e M

e

dWm  d1i1 . dNiN  f1 dx1 . f dx

d1i1  .  NiN   d1i1  .  dNiN  1di1  .  N diN 

  

  

  

 



M i

i

e

i

N

i

i i

W

m

N

pdf27 trang | Chia sẻ: trungkhoi17 | Lượt xem: 424 | Lượt tải: 0download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Giáo trình Biến đổi năng lượng điện cơ - Chương 4: Giải tích hệ thống điện cơ dùng các phương pháp năng lượng - Nguyễn Quang Nam, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 1 1 Bài giảng 3 ĐH Bách Khoa TP.HCM – Khoa Điện-Điện Tử – Bộ Môn Thiết Bị Điện Bài giảng: Biến đổi năng lượng điện cơ Chương 4: Giải tích hệ thống điện cơ dùng các phương pháp năng lượng Biên soạn: Nguyễn Quang Nam Cập nhật: Trần Công Binh NH2012–2013, HK2 • Khởi động từ - Contactor – Đóng cắt điện cho phụ tải, bằng cuộn dây Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 2 A1 A2 Cuộn dây AC Cuộn DC tiêu thụ năng lượng thấp N S Nam châm vĩnh cửu Mạch từ contactor 4 Bài giảng 3  Mạch từ với một phần tử chuyển động sẽ được khảo sát.  Mô hình toán cho các hệ thống điện cơ thông số tập trung sẽ được rút ra.  Một hay nhiều hệ cuộn dây tương tác để tạo ra lực hay mômen trên hệ cơ sẽ được khảo sát. Hệ thống điện cơ – Giới thiệu Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 3 5 Bài giảng 3  Một cách tổng quát, cả dòng điện trong cuộn dây lẫn lực/mômen sẽ biến thiên theo thời gian.  Một hệ phương trình vi phân điện cơ có tương quan được rút ra, và chuyển thành dạng không gian trạng thái, thuận tiện cho việc mô phỏng trên máy tính, phân tích, và thiết kế. Hệ thống điện cơ – Giới thiệu (tt) 6 Bài giảng 3 S  Xét hệ thống trong hình 4.1  Định luật Ampere trở thành  Định luật Faraday Hệ tịnh tiến – Áp dụng các định luật điện từ   S fC daJdlH  NiHl    C S daBdt d dlE    dt d N dt d v   trở thành Đường kín C Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 4 7 Bài giảng 3 Hệ tịnh tiến – Áp dụng các định luật điện từ (tt)  Việc áp dụng định luật Gauss còn tùy thuộc vào hình dạng, và cần thiết cho hệ thống với các cường độ từ trường H khác nhau.  Định luật bảo toàn điện tích sẽ dẫn đến KCL. 8 Bài giảng 3  Với các hệ chuyển động tịnh tiến,  = (i, x).  Khi hình dạng của mạch từ là đơn giản, theo định luật Faraday Cấu trúc của một hệ thống điện cơ Hệ điện (tập trung) Ghép điện cơ Hệ cơ (tập trung) v, i,  fe, x or Te, q dt dx xdt di idt d v        Điện áp biến áp Điện áp tốc độ Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 5 9 Bài giảng 3 Như vậy, Hệ tuyến tính về điện  ixL     dt dx dx xdL i dt di xLv   Với hệ không có phần tử chuyển động Li dt di Lv   Với hệ có nhiều cửa         M j j j kN j j j kk k dt dx xdt di idt d v 11  Nk ,...,2,1  Lực và từ thông móc vòng có thể là hàm của tất cả các biến. và 10 Bài giảng 3  Tìm H1, H2, , và v, với các giả thiết sau: 1) m =  với lõi, 2) g >> w, x >> 2w và 3) không có từ thông tản. Ví dụ 4.1      022 2010  wdHwdH mm xg Ni HH   21 Dẫn đến Chọn mặt kín thích hợp, áp dụng định luật Gauss xg Niwd   0 2 m Rút ra từ thông (tính theo từ cảm B1 chẳng hạn): Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 6 11 Bài giảng 3 Ví dụ 4.1 (tt) Điện cảm (của hệ tuyến tính về điện)   xg Nwd xL   2 02 m     dt dx xg iNwd dt di xg Nwd tv 2 2 0 2 0 22     mm Điện áp cảm ứng xg iNwd N   2 02 m Từ thông móc vòng 12 Bài giảng 3  Vd. 4.2: Hình 4.7. Tìm s, r làm hàm của is, ir, và q, và tìm vs và vr của rôto hình trụ. Giả thiết m = , và g << R và l. Hệ thống chuyển động quay 31 r rrss r H g iNiN H    42 r rrss r H g iNiN H     lRHNlRHNN rsrssss qmqm  2010 Có thể chứng minh được: Sau khi tính được các cường độ từ trường, từ thông móc vòng được xác định bởi: Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 7 13 Bài giảng 3  Vd. 4.2 (tt) Hệ thống chuyển động quay (tt) Rút gọn thành rrssss iLNNiLN         q  2 100 2 Tương tự, rrsrsr iLNiLNN 0 2 0 2 1         q  q 0 q 0       dt d Mi dt di M dt di Ltv r rs ss q qq sincos  Trong các máy thực tế, người thường chế tạo để Tính đạo hàm các từ thông móc vòng sẽ có được điện áp. 14 Bài giảng 3  Tính 1 và 2 và xác định tự cảm và hỗ cảm cho hệ trong hình 4.14, dùng mạch từ tương đương. Ví dụ 4.4 Rx Rx Rx N2i2 N1i1 1 2 2 00 W x A x Rx mm  2111 2  xx RRiN 2122 2  xx RRiN  221121 2 0 111 2 3 iNNiN x W N  m   222121 2 0 222 2 3 iNiNN x W N  m  Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 8 15 Bài giảng 3  Lực fe = fe(i, x) = fe(, x) (vì i có thể được tính từ  = (i, x)) với hệ có một cửa điện và một cửa cơ.  fe luôn luôn tác động theo chiều dương của x.  Xét hệ trong hình 4.17, được chuyển thành sơ đồ trong hình 4.18. Gọi Wm là năng lượng lưu trữ, theo nguyên tắc bảo toàn năng lượng (viết dưới dạng công suất) Tính lực bằng khái niệm năng lượng Tốc độ thay đổi năng lượng lưu trữ Công suất điện đưa vào Công suất cơ lấy ra = _ 16 Bài giảng 3 Tính lực bằng khái niệm năng lượng (tt) dt dx f dt d i dt dx fvi dt dW eem   dxfiddW em  hay  Một biến điện và một biến cơ có thể được chọn tùy ý, mà không vi phạm các quy tắc vật lý của bài toán. Giả sử (, x) được chọn.  Vì môi trường liên kết được bảo toàn, độ thay đổi năng lượng lưu trữ khi đi từ a đến b trong mặt phẳng  – x là độc lập với đường lấy tích phân (hình 4.19). Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 9 17 Bài giảng 3  Với đường A Tính lực (tt)          b a b a dxidxxfxWxW b x x a e aambbm    ,,,,  Với đường B          b a b a x x b e aaambbm dxxfdxixWxW ,,,,     Cả hai phương pháp phải cho cùng kết quả. Nếu a = 0, không có lực sinh ra bởi điện năng, khi đó đường A dễ tính hơn, với       b dxixWxW bambbm   0 ,,0,  Có thể tổng quát hóa thành       0 ,, dxixWm 18 Bài giảng 3  Nhớ lại Quan hệ lực và năng lượng dxfiddW em    Vì Wm = Wm(, x), vi phân của Wm có thể được biểu diễn     dx x xW d xW dW mmm       ,,      So sánh hai phương trình, cho ta        xW i m ,   x xW f me    , Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 10 19 Bài giảng 3  Tính fe(, x) và fe(i, x) của hệ thống trong ví dụ 4.1. Ví dụ 4.5 gx i L gx i g Nwd xg iNwd N       11 22 0 2 0 2 0 mm  gx L i  1 0       gx L dgx L dxiWm   12 1, 0 2 0 0 0      Để tính Wm, cần có i là một hàm của  và x Từ ví dụ 4.1 Tính được 20 Bài giảng 3 Ví dụ 4.5 (tt)   gL x x W f me 0 2 2 ,            2 2 0 2 0 22 0 12 1 12 , gx iL gxgL iL xif e     Tính fe theo  và g Tính fe theo i và g (thay biểu thức của  theo i và g vào) Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 11 21 Bài giảng 3  Để tính Wm(, x), cần có i = i(, x). Việc này có thể không dễ dàng. Có thể sẽ thuận tiện hơn nếu tính fe trực tiếp từ  = (i, x). Tính lực bằng khái niệm đồng năng lượng   diidid     diidid     dxfdiiddW em     dxfdiWid e m    Định nghĩa đồng năng lượng là  xiWWWi mmm , ''    22 Bài giảng 3 Tính lực bằng khái niệm đồng năng lượng (tt)  Lấy tích phân dW’m dọc đường Ob’b (hình 4.21), f e = 0 dọc Ob’     i m dixixiW 0 ' ,,  dx x W di i W dW mmm       '' '  Về mặt toán học,  Do đó (từ slide 19)   i xiWm    ,    x xiW f me    , Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 12 23 Bài giảng 3  Tìm fe cho hệ trong hình 4.22. Ví dụ 4.8 Ni Riron Rgap  A l R ciron m  A x Rgap 0 2 m   xR NiNi RR Ni A x A l gapiron c      0 2 mm  xR iN N 2     xR iN dixiW i m 2 , 22 0 '       220 2222' 0 1 2 A x A l me cA iN xRdx diN x W f mmm             Từ thông móc vòng và đồng năng lượng  Lực điện từ (sinh ra bởi điện năng) 24 Bài giảng 3  Trong các hệ tuyến tính (về điện), cả năng lượng lẫn đồng năng lượng đều bằng nhau về trị số. Trong hình 4.24, Biểu diễn hình học của năng lượng và đồng năng lượng   A Vùng , 0     dxiWm   B Vùng , 0 '   i m dixiW   Nếu (i, x) là một hàm phi tuyến như minh họa trên hình 4.25, khi đó hai diện tích sẽ không có trị số bằng nhau. Tuy nhiên, fe rút ra bằng năng lượng hay đồng năng lượng sẽ như nhau. Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 13 25 Bài giảng 3 Biểu diễn hình học của năng lượng và đồng năng lượng  Có thể chứng minh như sau.  Trước tiên, giữ  cố định, năng lượng Wm được giảm một lượng –DWm như trên hình 4.26(a) đối với việc tăng một lượng Dx. Tiếp đó, giữ i không đổi, đồng năng lượng tăng một lượng DW’m khi x thay đổi 1 lượng Dx. Lực điện từ (do điện năng sinh ra) trong cả hai trường hợp x W f m x e D D  D 0 lim x W f m x e D D  D ' 0 lim 26 Bài giảng 3  Xét một hệ có 2 cửa điện và 1 cửa cơ, với 1 = 1(i1, i2, x) và 2 = 2(i1, i2, x). Tốc độ thay đổi năng lượng lưu trữ Lực trong hệ 2 cửa điện – 1 cửa cơ dt dx f dt d i dt d i dt dx fiviv dt dW eem  22 1 12211  dxfdididW em  2211  hay   221122112211 didiiiddidi   Xét Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 14 27 Bài giảng 3 Lực trong hệ 2 cửa điện – 1 cửa cơ (tt)   dxfdidiWiid em  22112211  dxfdididW em  2211 '  Như vậy, ' mW        21 0 ' 2 ' 212 0 ' 1 ' 1121 ' ,,,0,,, ii m dixiidixixiiW  Sau cùng, 28 Bài giảng 3  Xét một hệ có N cửa điện và M cửa cơ, các từ thông móc vòng là 1(i1, ..., iN, x1, ..., xM), ..., N(i1, ..., iN, x1, ..., xM). Lực trong hệ nhiều cửa tổng quát M e M e NNm dxfdxfididdW  ...... 1111       NNNNNN didiididiid   ......... 111111          M i i e i N i ii W m N i ii dxfdiWid m 111 '      Tương tự như với trường hợp có 2 cửa điện và 1 cửa cơ: Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 15 29 Bài giảng 3 Lực trong hệ nhiều cửa tổng quát (tt) Ni i W i m i ,...,1 '     Mi x W f i me i ,...,1 '      Rút ra công thức tổng quát để tính từ thông móc vòng và lực điện từ: 30 Bài giảng 3  Để tính W’m, việc tính tích phân được thực hiện trước tiên dọc các trục xi, rồi dọc mỗi trục ii. Khi tính tích phân dọc xi, W’m = 0 vì f e bằng 0. Khi đó, Tính đồng năng lượng W’m            Ni NMNNN i M i Mm dixxxiiii dixxxii dixxxiW 0 ' 21 ' 121 0 ' 221 ' 212 0 ' 121 ' 11 ' ,...,,,,...,, ...,...,,0,...,, ,...,,0,...,0, 2 1    Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 16 31 Bài giảng 3 Tính đồng năng lượng W’m (tt)  Chú ý các biến dùng để tính tích phân. Với trường hợp đặc biệt của hệ 2 cửa điện và 2 cửa cơ,      21 0 ' 221 ' 212 0 ' 121 ' 11 ' ,,,,,0, ii m dixxiidixxiW  Và, 1 ' 1 dx W f me   2 ' 2 dx W f me   32 Bài giảng 3  Tính W’m và mômen (do điện sinh ra) của một hệ 3 cửa điện và 1 cửa cơ, với các từ thông móc vòng cho trước. Ví dụ 4.10    cos31111 MiiL    sin32222 MiiL      sincos 213333 MiMiiL               sincos 2 1 2 1 2 1 ,,,,,,0,,,,0,0, 3231 2 333 2 222 2 111 0 ' 3 ' 3213 0 ' 2 ' 212 0 ' 1 ' 11 ' 321 iMiiMiiLiLiL diiiidiiidiiW iii m Đồng năng lượng: Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 17 33 Bài giảng 3 Mặc dù chỉ có 1 cửa cơ, hệ được mô tả bởi 2 biến cơ học (các góc quay). Do đó, các thành phần lực xoắn (mômen) là Ví dụ 4.10 (tt)           cossin 3231 ' iMiiMi W T me           cossin 3231 ' iMiiMi W T me 34 Bài giảng 3  Bỏ qua tổn thất trong từ trường, có thể rút ra quan hệ đơn giản cho hệ ghép, Biến đổi năng lượng – Kiểm tra tính bảo toàn S dt d i  vf e  eT dt dWm Nhớ lại   x xW f me    ,        xW i m , Và chú ý rằng       x W x W mm 22  Điều kiện cần và đủ để cho hệ là bảo toàn sẽ là            xf x xi e ,,     i xif x xi e      ,, hay Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 18 35 Bài giảng 3  Với hệ này Hệ thống 2 cửa điện và 1 cửa cơ  Các điều kiện cho sự bảo toàn là 1 ' 1 i Wm    dxfdididW em  2211 '   Các phương trình cho từ thông và lực (do điện sinh ra) là 2 ' 2 i Wm    x W f me    ' 1 1 i f x e      2 2 i f x e      1 2 2 1 ii        Điều này có thể mở rộng cho các hệ có nhiều cửa điện và nhiều cửa cơ. 36 Bài giảng 3  Nhớ lại Biến đổi năng lượng giữa hai điểm     dxxfdxidW em ,,    Khi đi từ a đến b trong hình 4.31, độ thay đổi năng lượng lưu trữ là          b a b a x x e aambbm dxfidxWxW    ,, bababam EFMEFEW  D Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 19 37 Bài giảng 3 Biến đổi năng lượng giữa hai điểm (tt) Với EFE viết tắt cho “energy from electrical” (năng lượng từ hệ điện) và EFM viết tắt “energy from mechanical” (năng lượng từ hệ cơ).  Để đánh giá EFE và EFM, cần có một đường đi cụ thể. Khái niệm EFM này có ích trong việc nghiên cứu sự biến đổi năng lượng theo chu kỳ của thiết bị. 38 Bài giảng 3  Trong 1 chu kỳ, khi hệ thống trở về trạng thái khởi đầu, dWm = 0. Biến đổi năng lượng trong 1 chu kỳ    dxfiddxfid ee 0  Từ hình 4.30, id = EFE, và –fedx = EFM. Như vậy, trong 1 chu kỳ,    0EFMEFE 0 cyclecycle EFMEFE  Có thể tính EFE hoặc EFM trong 1 chu kỳ. Nếu EFE|cycle > 0, hệ thống đang hoạt động như một động cơ, và EFM|cycle < 0. Nếu EFE|cycle < 0, hệ thống đang vận hành như một máy phát, và EFM|cycle > 0. hay Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 20 39 Bài giảng 3  Các phần tử tập trung của hệ cơ: khối lượng (động năng), lò xo (thế năng), và bộ đệm (tiêu tán). Định luật Newton được dùng cho phương trình chuyển động.  Xét khối lượng M = W/g được treo trên lò xo có độ cứng K. Ở điều kiện cân bằng tĩnh, trọng lực W = Mg được cân bằng bởi lực lò xo Kl, với l là độ giãn của lò xo gây ra bởi khối lượng W. Động học của hệ tập trung – Hệ khối lượng-lò xo 40 Bài giảng 3  Nếu vị trí cân bằng được chọn làm gốc, chỉ có lực sinh ra bởi dịch chuyển cần được xem xét. Xét mô hình vật tự do trong hình 4.35(c).  Định luật Newton: Lực gia tốc theo chiều dương của x bằng với tổng đại số tất cả các lực tác động lên khối lượng theo chiều dương của x. Động học của hệ tập trung – Hệ khối lượng-lò xo KxxM  0 KxxM hay Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 21 41 Bài giảng 3  Nếu vị trí chưa biến dạng được chọn làm gốc (Hình 4.36), khi đó Hệ khối lượng-lò xo với phần tử tiêu tán MgKyyM  MgKyyM  KlMg    0 lyKyM   Chú ý rằng  Xét khối lượng M được đỡ bởi lò xo (hình 4.37), và một tổ hợp lò xo-bộ đệm. f(t) là lực áp đặt. x được đo từ vị trí cân bằng tĩnh. Một bộ đệm lý tưởng sẽ có lực tỷ lệ với vận tốc tương đối giữa hai nút, với ký hiệu như trong hình 4.38. 42 Bài giảng 3 Hệ khối lượng-lò xo với phần tử tiêu tán (tt) M x fK1 fB1 f(t) fK2     dt dx BxKxKtf ffftfxM BKK   21 21   Áp dụng định luật Newton, có thể viết được phương trình chuyển động của vật tự do như sau Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 22 43 Bài giảng 3  Viết các phương trình cơ học cho hệ trong hình 4.40. Ví dụ 4.17 M1 x1 K2x 11B x x2B K1x1 f1(t) 23B x M2 x2 K3x2 x2B K2x f2(t)  Định nghĩa x2 – x1 = x       1111122122111 xKxBxxBxxKtfxM         2323122122222 xKxBxxKxxBtfxM   44 Bài giảng 3  Mô tả động học hoàn chỉnh của hệ thu được từ việc viết các phương trình cho phía điện và phía cơ. Các phương trình này có liên kết, và tạo ra một hệ các phương trình vi phân bậc nhất dùng cho phân tích. Hệ phương trình này được coi là mô hình không gian trạng thái của hệ thống.  Vd. 4.19: Với hệ thống trong hình 4.43, chuyển các phương trình điện và cơ về dạng không gian trạng thái. Từ thông móc vòng từ vd. 4.8, Mô hình không gian trạng thái    xR iN xRR iN gc 22     xR iN Wm 2 22 '  Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 23 45 Bài giảng 3 Mô hình không gian trạng thái (tt)  Ở phía hệ điện,     dt dx AxR iN dt di xR N iRvs 0 2 22 2 m   Ở phía hệ cơ,    xAR iN f dt dx BlxK dt xd M e 2 0 22 2 2 m  với l > 0 là điểm cân bằng tĩnh của phần tử chuyển động. Nếu vị trí của phần tử chuyển động được đo từ vị trí cân bằng, các phương trình cơ có biến (x – l) thay vì x. 46 Bài giảng 3 Mô hình không gian trạng thái (tt)  Quan hệ trên có được dưới điều kiện sau,     0 2 2     dt lxd dt lxd  Mô hình không gian trạng thái của hệ thống là một hệ 3 phương trình vi phân bậc nhất. Ba biến trạng thái là x, dx/dt (hay v), và i. Ba phương trình bậc nhất có được bằng cách đạo hàm x, v, và i và biểu diễn các đạo hàm này chỉ theo x, v, và i, và ngõ vào bất kỳ của hệ thống. Do đó, các phương trình sau cho ta mô hình không gian trạng thái,  Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 24 47 Bài giảng 3 Mô hình không gian trạng thái (tt) v dt dx               BvlxK xAR iN Mdt dv 2 0 221 m           svv AxR iN iR xLdt di 0 2 2 21 m với    xR N xL 2   32111 ,, xxxfx   32122 ,, xxxfx   uxxxfx ,,, 32133  48 Bài giảng 3  Xét phương trình . Nếu ngõ vào u là không đổi, khi đó bằng việc đặt , sẽ thu được các phương trình đại số . Phương trình này có thể có vài nghiệm, và được gọi là các điểm cân bằng tĩnh.  Trong các hệ thống ít chiều, có thể dùng đồ thị. Trong các hệ bậc cao, thường cần dùng các kỹ thuật tính số để tìm nghiệm. Chú ý các đại lượng có ký hiệu gạch dưới là các vectơ. Các điểm cân bằng  uxfx , 0x  uxf ˆ,0  Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 25 49 Bài giảng 3  Với vd. 4.19, đặt các đạo hàm bằng 0 cho ta Các điểm cân bằng (tt) 0ev Rvi s e         xif xAR iN lxK ee e , 2 0 22  m xe có thể tìm bằng đồ thị bằng cách tìm giao điểm của –K(x – l) và –fe(ie, x). 50 Bài giảng 3  Hai loại phương pháp: tường minh và ngầm định. Phương pháp Euler là dạng tường minh, dễ hiện thực cho các hệ thống nhỏ. Với các hệ lớn, phương pháp ngầm định tốt hơn nhờ tính ổn định số của nó.  Xét phương trình với x, f, và u là các vectơ.  Thời gian tích phân sẽ được chia đều thành những bước Dt (Hình 4.45). Tích phân số  uxfx ,   00 xx  Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 26 51 Bài giảng 3  Trong mỗi bước thời gian từ tn đến tn+1, biểu thức tích phân được coi là không đổi bằng giá trị ứng với thời điểm trước đó tn. Như vậy, Tích phân số (tt)       11 , n n n n t t t t dtuxfdttx                 nn nnnnnn tutxft tutxftttxtx , ,11 D   52 Bài giảng 3  Tính x(t) ở t = 0,1, 0,2, và 0,3 giây, biết rằng Ví dụ 4.21   22 xtx    10 x        nnnn txftxx ,1 D  Có thể chọn Dt = 0.1 s. Công thức tổng quát để tính x(n+1) là ,...2,1,0n   10 x  Tại t0      2120, 200 txf           8,021,01, 0001 D txftxx Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 27 53 Bài giảng 3 Ví dụ 4.21 (tt)  Tại t1 = 0,1 s   8,01 x      344,18,021,0, 211 txf           6656,0344,11,08,0, 1112 D txftxx  Tương tự,   5681,03 x   4939,04 x 54 Bài giảng 3  Tìm i(t) bằng pp Euler. R = (1 + 3i2) W, L = 1 H, và v(t) = 10t V. Ví dụ 4.22  tviR dt di L     tvii dt di  231   00 i  Đặt i = x, và v(t) = u      tuxftuxx dt dx ,,31 2     000 xx          nnnnn tuxtfxx ,,1 D ,...2,1,0n   00 x   00 u      0,, 000 tuxf   01 x   01 x   25,01 u        25,025,0001,, 2111 tuxf        00625,025,0025,012  xx

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfgiao_trinh_bien_doi_nang_luong_dien_co_chuong_4_giai_tich_he.pdf
Tài liệu liên quan